Введение к работе
Актуальность темы исследования
Изучение свойств мелкодисперсных магнитных систем представляет собой важную и интересіїую область исследований физики конденсированного состояния. Физические и химические свойства мелких частиц могут значительно отличаться от соответствующих свойств массивных образцов. Малые магнитные частицы, обладающие специфическими, зачастую уникальными, особенностями, определяют характеристики таких материалов, как магнитные основы для записи и хранения информации, феррожидкости, кластерные структуры, пигменты красителей, высокоэффективные катализаторы из тонкодисперсных порошков или керамики с зернами нанометрового размера, применяемые в авиации радиопоглощагощие ^^ керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены ^^ мелкодисперсные металлические частицы, широко применяемые аэрозоли и т.д. Направления работ в этой области охватывают методы получения нанокристаллических структур (компактирование порошков, осаждение на подложку, кристаллизация аморфных сплавов, интенсивная пластическая деформация и другие), методы экспериментальных исследований их свойств, а также теоретические разработки, относящиеся к природе магнетизма малых и ультрамалых частиц. Важность изучения свойств подобных частиц определяется в том числе и тем, что особенности того или иного вещества, явления, процесса создаваемых природой, закладываются на уровне атомов и молекул, размеры которых сопоставимы с размерами нанообъектов. Именно с подобными структурами оперируют нанотехнологии, применяемые в самых различных областях, например для изготовления легких, прочных и термостойких деталей, например, лопаток газовых турбин турбореактивных ЯВдвигателей самолетов. Суспензии металлических наночастиц (обычно железа и
его сплавов) размером от 30 нм до 1-2 мкм используются как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы. Наночастицы широко применяются в производстве современных микроэлектронных устройств, в электронике и компьютерной технике нанотсхнологии в тысячи раз увеличат эффективность работы компьютеров. Наноструктурные материалы помогут и уже помогают при переработке и обезвреживании отходов, окисляя органические загрязнители, связывая атомы тяжелых металлов. Керамические наноматериалы широко применяются для изготовления деталей, работающих в условиях повышенных температур, неоднородных термических нагрузок и агрессивных сред. Сверхпластичность керамических наноматериалов позволяет получать из них применяемые в аэрокосмической технике изделия сложной конфигурации с высокой точностью размеров. Многие ценные лекарственные препараты нерастворимы в воде и часто с трудом проникают внутрь клеток при введении в кровь. Создается опасность закупорки капилляров и других мелких кровеносных сосудов. Но в связке с наночастицами они почти свободно движутся в кровотоке, намного повышая эффективность и скорость воздействия лекарственных препаратов на ткани человеческого организма. Живые организмы решают ряд своих «технических» задач с помощью молекулярных двигателей и других внутриклеточных функциональных «машин». Объединив такие биологические объекты с неорганическими устройствами, можно будет создать новые гибриды. Искусственные биологические ткани помогут компенсировать утраченные организмом функции, имплантанты с нанометровым защитным покрытием, препятствующим отторжению, практически будут интегрированы в организм. В США за пять лет с 1997 по 2002 год расходы Министерства обороны на нанотехнологии выросли в 5.6 раза, национального института здоровья - в 8.2 раза, Национального агентства аэронавтики и космонавтики (НАСА) -в 15.5 раза. А всего за то же время бюджетные ассигнования на эти цели увеличились со 116 миллионов долларов
до 604.4, то есть в 5.2 раза. Оборот мирового рынка нанопродукции в 2001 году составил около 45 миллиардов долларов. Согласно прогнозам, через 10-15 лет он достигнет порядка одного триллиона.
Основные эффекты, характерные для системы малых (размером 5-50 нм) магнитных частиц, являются следствием, прежде всего, того, что такая частица обычно образует единственный магнитный домен. При уменьшении размеров однодомеиных частиц возрастает вероятность того, что тепловое движение в самой частице приведет к неустойчивости ее намагниченности; при этом магнитные моменты атомов остаются параллельными друг другу, а направление суммарного магнитного момента флуктуирует. Таким образом, частицы могут перемагничиваться даже в отсутствие внешнего магнитного поля, так как тепловая энергия становится сравнимой по величине с энергией анизотропии, удерживающей вектор магнитного момента частиц в направлении, соответствующем минимуму энергии. Это явление получило название суперпарамагнетизма.
Другой специфической чертой малых объектов является относительно большое удельное количество атомов, расположенных вблизи поверхности частицы (для частиц размером менее 10 нм доля таких атомов составляет примерно 10-15% ), что также может оказывать существенное влияние на их физические свойства. В частности, атомы, расположенные у поверхности, будут давать значительный вклад в магнитную анизотропию малых частиц, тогда как для макроскопических объектов такое влияние пренебрежимо мало.
Существует еще одна интересная особенность, характерная для малых магнитных частиц, - возможность квантового туннелирования вектора магнитного момента частицы из метастабильных состояний, обусловленных магнитной анизотропией (Е.М.Чудновский, Л.Гюнтер, 1988 г.). Таким образом, спонтанное перемагничивание однодомеиных частиц может происходить не только вследствие явления суперпарамагнетизма, т.е. при достаточно высоких
температурах, но и при очень низких температурах, вследствие макроскопического квантового туннелирования.
Подобные особенности физических свойств малых магнитных частиц интересны сами по себе и, в частности, приводят к качественному изменению отклика таких магнитных систем на внешнее возмущение. Таким образом, процессы перемагничивания и изучение поведения мелкодисперсных магнитных систем в переменных полях представляют собой одну из актуальных областей исследования магнитных материалов.
Сравнительно недавно появился ряд работ (Б.Макнамара, К.Визенфсльд, П.Джаиг и др., 1989 г.) по стохастическому резонансу - явлению, заключающемуся в прохождении через максимум отклика бистабильной (в общем случае - мультистабильной) системы на внешнее периодическое возмущение при монотонном увеличении интенсивности шума. Так как малая ферро (ферри-) частица с магнитной анизотропией типа "легкая ось" представляет собой пример бистабильного элемента, двум устойчивым состояниям которого соответствуют две противоположные ориентации ее магнитного момента вдоль оси легкого намагничивания, то справедливо предположение о возможности реализации стохастического резонанса в такой системе.
Концепция стохастического резонанса была впервые перенесена в область мелкодисперсного магнетизма в работах Э.К.Садыкова и др. в 1990 г., где были предложены также несколько возможных экспериментальных методик для наблюдения эффекта стохастического резонанса в системе суперпарамагнитных частиц. Существует еще множество интересных неисследованных вопросов, касающихся особенностей физических свойств малых магнитных частиц, возникающих при наличии внешних переменных полей и наиболее ярко проявляющихся при стохастическом резонансе. Кроме того, некоторые рассмотренные ранее темы и модели требуют дальнейшего изучения, развития и детализации.
Постановка задачи настоящей диссертации обусловлена указанными проблемами и состоит в систематическом теоретическом исследовании динамики намагниченности мелкодисперсных магнитных систем в условиях стохастического резонанса.
Цель работы
Теоретический анализ и моделирование поведения намагниченности системы суперпарамагнитных частиц с магнитной анизоторопией типа «легкая ось», подверженных воздействию переменного поля. Обнаружение условий реализации явления стохастического резонанса в такой системе, определение оптимального диапазона изменения внутренних и внешних параметров, в котором достигается максимальный эффект стохастического резонанса.
Рассмотрение динамической восприимчивости в системе суперпарамагнитных частиц в условиях стохастического резонанса. Учет непрерывного изменения вектора магнитного момента. Исследование явления стохастического резонанса с точки зрения возможного механизма усиления переменного сверхтонкого поля мелкодисперсных магнетиков.
Анализ существующих и предложение возможных экспериментальных методик для наблюдения динамики намагниченности малых частиц в условиях стохастического резонанса. Разработка теории и методов расчета мёссбауэровских спектров для случая произвольных периодических и статистически периодических полей на ядрах одноосных модулированных суперпарамагпитных четиц.
Изучение подбарьерной (туннельной) динамики намагниченности малых магнитных частиц. Рассмотрение на ее основе явления стохастического резонанса в системе однодоменных частиц при слабой термической активации и при полной ее отсутствии. Определение параметров реальных магнитных систем, позволяющих наблюдать стохастический резонанс в квантовом режиме.
Исследование влияния дополнительных постоянных магнитных полей на динамическую восприимчивость суперпарамапштных частиц в условиях стохастического резонанса.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов
В работе использованы теоретические методы исследования. Решения задач математического моделирования физических явлений базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях классической и квантовой электродинамики. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и с результатами исследований других авторов.
Научная новизна
На основе приближения дискретных ориентации получены аналитические выражения для основных характеристик явления стохастического резонанса в системе суперпарамагнитных частиц: динамической магнитной восприимчивости, отношения сигнал/шум. Изучено поведение данных характеристик при различных параметрах системы (температура, частота модуляции, размеры частиц). Определена оптимальная аналитическая модель для скорости релаксации магнитного момента суперпарамагнитных частиц в условиях радиочастотной модуляции.
Предложена модель, описывающая трансформацию внешнего радиочастотного поля в переменное поле на ядре с учетом полей анизотропии. Показано, что коэффициент усиления переменного сверхтонкого поля в системе суперпарамагнитных частиц имеет температурную зависимость типа стохастического резонанса.
Обнаружен эффект снижения уровня внутреннего теплового шума системы одноосных суперпарамагнитных частиц в температурном диапазоне, соответствующем стохастическому резонансу. Величина эффекта оценена с учетом распределения частиц по размерам.
Разработана модель непрерывного изменения вектора намагниченности малых легкоосных частиц на основе уравнения Фоккера-Планка с периодически зависящим от времени дрейфовым слагаемым. Данная модель позволяет получить более точные значения характеристик стохастического резонанса, что особенно важно при интерпретации данных эксперимента. Произведен прямой учет феноменологического параметра затухания прецессии вектора намагниченности.
Динамическая восприимчивость вычислена численным методом (с использованием техники цепных матричных дробей) с выходом за рамки теории линейного отклика. На основе непрерывной модели получена МЪ немонотонная температурная зависимость фазового сдвига динамики вектора намагниченности. Произведено сравнение результатов непрерывной модели с результатами квазиадиабатического приближения.
Теоретически обоснована возможность и эффективность
экспериментального способа наблюдения эффекта стохастического резонанса в системе одноосных магнитных частиц на примере их ядерно-гамма-резонансных спектров. Получены рекуррентные соотношения для супероператора эволюции ядра как исходные уравнения для наблюдаемых величин и их формальные решения. На основе численных расчетов подтверждена немонотонная температурная зависимость (типа стохастического резонанса) интенсивностей сателлитных линий мёссбауэровских спектров модулированных суперпарамагнитных частиц в режиме коллапса сверхтонкой структуры спектров. Проведены оценки оптимальных условий (параметров) _ эксперимента.
В рамках дискретной модели вычислены динамическая магнитная восприимчивость и отношение сигнал/шум системы однодоменных частиц при полном отсутствии термической активации, когда динамика системы определяется подбарьерными (туннельными) переходами вектора намагниченности. Показано, что стохастический резонанс в таком квантовом режиме возможен только при наличии дополнительного постоянного магнитного поля, приложенного перпендикулярно легкой оси однодоменнои частицы.
Оценено влияние отличных от нуля конечных температур на эффекты квантового туннелирования намагниченности однодоменных частиц в условиях стохастического резонанса. Получена аналитическая модель описания динамической (периодической) скорости туннелирования вектора магнитного момента, учитывающая особенности квантовой системы. Определена критическая температура, выше которой преобладает надбарьерный механизм перемагничивания.
Рассмотрено влияние дополнительного постоянного магнитного поля на динамику вектора магнитного момента одноосной суперпарамагнитной частицы в условиях стохастического резонанса. В приближении дискретных ориентации аналитически получены выражения для динамической магнитной восприимчивости в случае постоянного магнитного поля, приложенного перпендикулярно її параллельно легкой оси частицы. Выполнены численные оценки, позволяющие учесть влияние произвольно направленного постоянного магнитного поля. Показано, что регулировать уровень шума в суперпарамагнитной системе можно и с помощью изменения напряженности внешнего постоянного магнитного поля, приложенного перпендикулярно легкой оси.
Вычислены величина выходного отношения сигнала к шуму и компоненты динамической восприимчивости по отношению к сканирующему пробному
полю при наличии дополнительного постоянного магнитного поля, приложенного перпендикулярно легкой оси.
Все перечисленные результаты выносятся на защиту
Научная и практическая ценность
В общей постановке стохастический резонанс — фундаментальная проблема статистической физики, следствие совместного действия шума и регулярного сигнала на бистабильную систему. Применительно к малым магнитным частицам, его следует признать скорее проблемой, имеющей непосредственное отношение к магнетизму. Действительно, мы здесь имеем дело с исследованием условий максимального взаимовлияния шума и сигнала в магнитной системе. При этом происходит качественное изменение характера ряда известных проявлений магнетизма Например, по качественно новому механизму осуществляется перемагничивание таких материалов, следует также говорить об особом характере изменения сверхтонкого поля в них под влиянием внешнего переменного поля. Результаты, представленные в настоящей диссертации, позволяют определять диапазоны изменений значений внутренних и внешних параметров системы наночастиц, при которых можно максимально выделить регулярную составляющую отклика системы на слабый периодический сигнал из общей динамики вектора магнитного момента, имеющей изначально нерегулярную природу. Такой механизм может быть, в частности, использован для регулирования порога чувствительности детекторов, увеличения разрешающей способности различных сенсоров. Явление стохастического резонанса, будучи по существу фундаментальным свойством магнитных систем в определенных условиях, может в дачьнейшем составить основу метода исследования большого класса магнитных материалов, результата их обработки, процессов деградации и т.д.
Апробіїїши работы
Результаты исследований докладывались лично автором диссертации, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах :
-
Итоговые научные конференции Казанского государственного университета, Казань 1994-1997 г.
-
XXVII Международный Амперовский конгресс, Казань 1994 г.
-
II Республиканская конференция молодых ученых и специалистов, Казань 1996 г.
-
Республиканская конференция «Проблемы энергетики», Казань 1997 г.
-
7-ой Международный семинар по физике сегнетоэлектриков, Казань 1997 г.
-
Межвузовская научно-практическая конференция «Экономическая синергетика и инновационные процессы», Набережные Челны 1998 г.
-
Межвузовская научно-практическая конференция «Экономическая синергетика и антикризисное управление», Набережные Челны 1999 г.
-
Международная научно-техническая конференция «Технико-экономические проблемы промышленного производства», Набережные Челны 2000г.
-
Международная молодежная научная конференция «Молодежь - науке будущего», Набережные Челны 2000 г.
-
Международная научно-практическая конференция «Наука и практика. Диалога нового века», Набережные Челны 2003 г.
-
Международная научно-практическая конференция «Научный потенциал мира - 2004», Днепропетровск 2004 г, Украина.
-
Межвузовская научно-практическая конференция, посвященная 25-летию КамПИ, Набережные Челны 2005 г.
-
Итоговые научные конференции филиала Казанского государственного университета, Набережные Челны 2004-2005 г.
14. Научный семинар в Институте физики металлов УрО РАН, Екатеринбург 2005 г.
Результаты работы представлены также в виде опубликованных тезисов докладов на следующих международных конференциях:
-
5-ое международное совещание по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (NSI-HFI-5), 22-24 сентября 1993 г., Дубна, Россия.
-
6-ая объединенная международная конференция по магнетизму и магнитным материалам (МММ - 1NTERMAG), 20-23 июня 1994 г., Альбукерк, США.
-
Международная конференция INTERMAG-95, 18-21 апреля 1995 г., Сан-Антонио, США.
-
Международная конференция по приложениям эффекта Мёссбауэра (ICAME-95), 10-16 сентября 1995 г., Римиии, Италия.
-
10-ая международная конференция по сверхтонким взаимодействиям (HFI-10), 2S августа- 1 сентября 1995 г., Лёвен,Бельгия.
-
40-ая ежегодная международная конференция по магнетизму и магнитным материалам (МММ), 6-9 ноября 1995 г., Филадельфия, США.
-
41-ая ежегодная международная конференция по магнетизму и магнитным материалам (МММ), 12-15 ноября Ї996 г., Атланта, США.
-
8-ая объединенная международная конференция по магнетизму и магнитным материалам (МММ — INTERMAG), 7-11 января 2001 г., Сан-Антонио, США.
-
46-ая ежегодная международная конференция по магнетизму и магнитным материалам (МММ), 12-16 ноября 2001 г., Сиэтл, США.
-
47-ая ежегодная международная конференция по магнетизму и магнитным материалам (МММ), 12-15 ноября 2002 г., Тампа, США.
11. Международная научно-практическая конференция «Наука: теория и практика», 20 июля - 5 августа 2005 г., Днепропетровск, Украина.
Представленные в настоящей диссертации исследования поддержаны следующими грантами и премиями :
-
Стипендия Президента Российской Федерации для аспиранта.
-
Премия первой степени конкурса молодых ученых Казанского государственного университета за цикл работ «Стохастический резонанс в мелкодисперсных магнетиках».
-
Грант № 95-02-05762 Российского Фонда Фундаментальных Исследований.
-
Стипендия и звание «Соросовский аспирант» Международной Соросовской научно-образовательной программы (ISSEP).
-
ГрантNNT000 Международного Научного Фонда (ISF).
-
Звание «Соросовский доцент» Международной Соросовской научно-образоватслыюй программы (ISSEP).
-
Грант NNT300 Международного Научного Фонда (ISF).
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка цитируемой литературы из 180 наименований и приложения. Объем работы — 230 страниц, включая 50 рисунков.
